直接在芯片上制造三维高导电功能微结构的激光诱导光敏材料DIW技术
【导读】：
一种新颖的光敏材料能够直接在芯片上制造三维高导电功能微结构。潜在的应用包括用于6G移动通信的天线，复杂的微机电设备以及近红外传感器。通过聚焦的激光辐射，将微小的微观结构三维印刷在任意基板上。通常，这些结构由聚合物制成。来自德国Fraunhofer ITWM的Erik Waller和来自德国凯撒斯劳滕工业大学和斯图加特大学的同事现在推出了一种感光材料，该材料可以通过光还原机制直接印刷导电银微结构。这些结构的特性（例如电导率和分辨率）对于在高频电子设备和光学器件之间的电流间隙中的应用非常有前途。作为第一个应用，演示了用于近红外圆偏振光的偏振器。
具有几乎任意几何形状的银微结构都是可能的。
激光诱导的光还原（LPR）作为一种直接制造技术，有望成为在芯片上制造高导电3D金属微结构（例如超材料，机电系统和高频组件（如天线））的最通用的方法之一。该技术具有在弹性和可弯曲基板上直接制造电路以及在互补金属氧化物半导体（CMOS）芯片上或具有相当外形的基板上直接制造天线的潜力。但是，高质量的三维（3D）结构的制造仍然具有挑战性。在这里，一种新型的光敏材料用于通过LPR增材制造几乎任意几何形状的金丝3D导电银微结构。该材料基于高氯酸银和明胶溶液，大约95％的材料密度，并且由几乎100％（重量）的银。作为第一功能成分，提出了一种手性超材料。
由于为金属微的高需求，几种技术已经开发了用于fabricatingthree三维（3D）金属微结构制作技术。通常，这些结构是通过间接方法制造的。首先，使用减法微加工或加法微加工来制造模板。此后，金属结构在模板内部电化学生长，随后将模板移除。尽管这种方法可以生产出质量卓越的结构，但它有两个关键的缺点：设计自由度有限和芯片制造困难。考虑到这一点，有一种直接的方法可用于在任意基板上制造任意微结构，例如在弹性和可弯曲基板上的电路以及在CMOS芯片或基板上的天线。此外，该技术将能够产生具有实质形貌的微结构。现有的大多数能够制造3D金属微结构的直接方法要么需要导电基板（例如，电液动力印刷），要么到目前为止很慢（例如，电子束诱导沉积）。通过多光子吸收的直接激光写入（DLW）可以快速制造几乎任意且高度精确的微结构，而没有上述缺点。DLW通过聚合使用激光束来选择性地硬化光致抗蚀剂。LPR与DLW相似，利用多光子吸收，但使用了可还原金属前体的光还原剂。微观结构的基本构建块是通过随后的成核，生长和聚结。一些研究小组已经利用此机制来制造平面银和金以及三维银和金基复合微结构。但是，由于该方法涉及的化学反应难以控制，因此该技术的全部潜力至今尚未得到开发。尽管平面结构的质量与聚合物的相似，但3D金属微结构的表面却比较粗糙，几何复杂度有限，并且/或者是由金属-聚合物复合材料形成的，从而导致导电率低。这对于高频应用是不希望的，因为粗糙度会导致较大的散射损耗和较大的欧姆损耗（在复合材料的情况下）。
因此，对于新型的光敏材料，我们集中于使用液体明胶作为基质。它同时充当还原剂，银前体的粘性溶剂和稳定剂。与聚合物基质相比，其具有能够分散大的活性物质负载的优点。此外，它几乎可以被不断发展的银结构完全取代，在温和条件下也可以完全溶解。总的来说，这种材料保证了高纯度和高密度，从而保证了所得微结构的高电导率，同时又保持了片上兼容性。
图，激光诱导金属微结构的制造：一个激光束通过一高数值孔径物镜聚焦到感光材料，其在所使用的激光（780nm）的波长是透明的。激光的功率通过声光调制器（AOM）进行调整。使用检流计扫描仪对轨迹进行横向扫描，或者通过压电平台对轨迹进行三维扫描。b制作过程。未曝光的部分可能会被冲走。c多光子吸收光还原，以及随后的成核，生长和团聚步骤，形成了最终结构的基本组成部分。
LPR的优势在于它的多功能性，因为它可以制造几乎每种几何形状。我们通过使用新颖的材料制造大量具有不同几何形状的样品结构来证明其多功能性。结果如下图所示：观察到丝状螺旋，成直角的波束以及带有封闭表面的结构（如空心金字塔）以及微型喇叭天线结构的阵列。与沿向下书写方向（相对于激光束传播方向）制造的悬垂结构相比，悬垂结构的制造更具挑战性，因为辐射压力使不断演化的粒子远离结构而不是朝向结构。但是，图中的直角光束清楚地表明，由于明胶的高粘度，可以制造这种要求苛刻的结构。自然地，使用这种方法不可能实现向上的书写方向，因为预书写的结构部件会阻挡或衰减入射的激光辐射。但是，类似于通过逐层自顶向下的方法制造结构的DLW，沿自顶向下的书写方向制造结构基本上不会限制结构的变化。
图2 通过激光诱导的光还原直接制造的各种银微结构。
金银细丝螺旋的阵列。b直角结构。c一组微型喇叭天线。d螺旋状倾覆。e空心金字塔。
由于这些结构显示出高纯度和材料密度，因此我们也期望它们显示出高电导率。实际上，未经退火，测得的3D导线（长度为90 µm，直径为1 µm）的电阻约为1.9kΩ，比类似尺寸的金聚合物的电阻低了近三个数量级。此外，特定的电阻率，使用一个简单的导线模型来计算，为3.3×10的数量级上-5 Ωm的（散装银：1.6×10 -8Ωm）。众所周知，退火进一步降低了电阻率。然而，所涉及的高温（几百摄氏度）通常反对该材料的片上兼容性。由于明胶在中等温度下熔化，因此测试了在50°C下加热明胶对其电阻率是否有影响。事实上，有电阻率与加热时间的指数下降，它接近6.7×10 -6三小时后Ωm的。该值与仅支持2D结构的直接写入的导电聚合物的值相比是有利的。因此，该材料能够制造导电功能部件。为了证明这一点，制作了C 4几何形状的螺旋阵列：
图，以C 4几何形状制造的左手（蓝色）和右手（红色）螺旋的线性（灰色）和手性响应。b左撇子集合的单位像元的渲染图像。c典型的螺旋阵列的透射光显微照片。
总结：
提出了一种新颖的光敏材料，该材料能够通过激光诱导的光还原法制造金银丝（高导电性3D银微结构）。该技术允许制造几乎任意的3D几何形状，包括直角。这些结构具有低于1μm的特征尺寸和大约10的电阻率-5 Ωm在未退火状态下。由大约100 wt％的银组成的结构具有大约95％的材料密度，并且大部分是非晶态的。这种新颖的光敏材料为直接在芯片上制造3D功能电子或光学组件铺平了道路。
参考资料：Photosensitive Material Enabling Direct Fabrication of Filigree 3D Silver Microstructures via Laser-Induced Photoreduction, Light: Advanced Manufacturing , (2021)2:8
http://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2021.008